350ka以来北冰洋波弗特环流演变及其沉积响应

叶黎明，葛 倩，杨克红，许 冬

（国家海洋局 海底科学重点实验室，国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

虽然米兰克维奇（Milankovitch）提出了经典的轨道驱动理论，但是很多未知的放大效应和反馈作用致使轨道参数、气候旋回和北极冰盖之间并不匹配［1－2］。3Ma以来北极冰盖大规模发育，北冰洋很多环境参数都具有了“冰期－间冰期”旋回的变化特点［3－5］，但是关于“冰期北冰洋波弗特环流（Beaufort Gyre）是否消亡”却一直存在争议［6－9］。

依据美亚海盆（Amerasian Basin）中不同站位碳酸盐岩碎屑和石英碎屑的相对含量，1Ma以来波弗特环流被认为至少存在6次消亡事件，每一次都与较强的冰期相对应［6］。然而，通过分析160ka以来北冰洋表层环流的变化模式却发现，驱动波弗特环流的风场一直没有发生过根本性的转变［8］。阿拉斯加沿岸的风成沙丘走向以及风场模拟结果也指出，末次冰期北冰洋上空的风场与现代相似，支持波弗特环流依然存在的观点［7］。波弗特环流的存在与否事关北冰洋海冰的运移轨迹和滞留时间，一旦消亡，大量携带陆源碎屑的海冰可能会被更加迅速地倾泻进格陵兰海盆和挪威海盆，不仅会造成陆源碎屑物质在不同海盆之间的差异沉积，还影响着北大西洋深层水的形成［6，10－11］。本文试图通过建立阿尔法洋脊（Alpha Ridge）B85－D孔轨道尺度上的年龄框架，并利用高分辨率的元素地球化学和冰筏碎屑（IRD）记录，进一步揭示晚第四纪“冰期－间冰期”旋回中波弗特环流的变化特点及其对美亚海盆陆源碎屑沉积的影响。

图1 北冰洋地理概况及站位图Fig.1 Geographic map of the Arctic Ocean and cores locations

1 材料和方法

B85－D孔沉积物重力柱状样由“雪龙”号于2008年8月26日采自北冰洋阿尔法洋脊（85.140°N、147.080°W）（图1），水深2 060m，柱长2.5m，取上部1.3m作为本次研究材料。沉积物组成以粘土为主，含粉砂、砂和有孔虫，偶见砾石，具有明显的“褐色－灰色”颜色旋回，没有发现浊流等事件沉积形成的特殊构造（图2）。

柱状样沿中轴线切割后，首先利用X射线荧光岩芯扫描仪（XRF）分析沉积物中 Mn、Ca和Ti元素的相对含量，分析方法参考文献［13］。仪器型号为Itrax，Mo管，扫描步长2mm，曝光时间5s，元素含量以计数强度（counts per second，缩写为cps）表示，重复分析偏差＜3%。其次，在柱状样不同部位取6个沉积物样（取样位置见图3），每个样品厚2cm，重约5g，使用自动碾磨机磨至粒径＜10μm，利用X射线衍射仪（XRD）分析沉积物中白云石和石英含量。仪器型号为X’pert Pro，Cu靶，扫描步长为0.016 7°2θ，扫描范围为5°～80°2θ，扫描结果利用 X’pert HighScore软件处理。最后，将剩余的柱状样以1cm厚度取样，烘干称质量，所有样品均利用154μm孔径的网筛清洗，大于154μm的粗组分在40℃的烤箱中烘干，用于鉴定有孔虫和IRD。利用实体显微镜完成有孔虫属种的鉴定和绝对丰度的统计，并用电子天平获得沉积物中IRD的质量百分比，特别是在含有孔虫的层位，需要先剔除有孔虫后再称质量。上述实验均在国家海洋局海底科学重点实验室完成。

2 结果

2.1 颜色旋回

B85－D孔新鲜沉积物断面具有明显的颜色旋回，褐色层和灰色层交替出现，反映了沉积物组分和沉积环境的阶段性变化（图2）。0～4，32～58，65～86，100～120cm为4大褐色层，被分别命名为B1、B2、B3和B4层，各个褐色层中又夹杂了若干层灰色沉积物。比较特殊的是，43～52cm和96cm处出现了浅黄色斑点状沉积物。

图2 B85－D孔古海洋学指标对比图Fig.2 Comparison among paleoceanographic proxies in the core B85－D

2.2 冰筏碎屑（IRD）

沉积物中IRD是指示海冰搬运的重要指标，一般粒径大于63μm的陆源碎屑都可定义为IRD，而大于200或250μm的碎屑则被定义为冰漂砾［4，7］。有研究表明，形成于陆架的海冰和来自陆地的冰山都可以搬运大于250μm的碎屑，仅仅依据粒径和碎屑表面构造很难区分搬运载体的类型［10，14］。本文取大于154μm的陆源碎屑来综合反映冰的搬运作用，不再细分搬运载体为海冰或冰山。B85－D孔中IRD含量介于0.5%～14.7%，平均含量约为4.4%，表层沉积物中含量约为3%（图2）。IRD含量与沉积物颜色旋回之间有一定的对应关系，灰色层含量高，而褐色层含量低，但是各阶段IRD最高含量一般都出现在颜色过渡层，无论是从褐色过渡到灰色还是从灰色过渡到褐色，IRD都可能出现高值。

2.3 有孔虫丰度

北冰洋有孔虫属种单一，浮游有孔虫Neogloboquadrinapachyderma－sin.（左 旋）和 底 栖 有 孔 虫Cibicidoideswuellerstorfi是B85－D孔中仅有的2种具有统计意义的有孔虫属种，其绝对丰度如图2所示。有孔虫丰度在地层剖面中的分布极不均衡，0～12，31～62，65～78cm 3个层位富含有孔虫，其它层位则几乎为零。在富含有孔虫的层位，N.pachydermasin.平均丰度为2 328枚（n）／g，最高可达7 250n／g，而C.wullerstorfi的丰度要低很多，而且分布更加不均衡，平均为8n／g，最高可达37n／g。在3个层位中，有孔虫丰度的变化具有一定的趋势性，随着每个层位沉积物由老到新，有孔虫丰度逐渐增加，但是在层位顶部有孔虫丰度却突然降低。

2.4 元素地球化学特征

B85－D孔沉积物中 Mn、Ca和Ti元素分析结果为相对含量，在深度剖面上显示出了非常明显的变化趋势。其中，Mn元素含量介于0～806cps，平均含量为245cps，其含量变化几乎与颜色层一一对应，表现出了非常明显的旋回性，而且颜色越深，Mn元素含量越高（图2）。对于每一个褐色层而言，随着沉积物由老到新Mn元素含量逐渐升高，一般在顶部达到最高含量，随后突然降低，特别是在4～30cm，Mn元素含量长期处于零值附近，这与有孔虫丰度的变化趋势相似。在比较特殊的浅黄色斑点层，Mn元素含量没有特别的变化，跟其它灰色层一样处于低值区。与Mn元素不同，Ca元素含量并没有像颜色层一样的旋回性，表层沉积物中Ca元素含量仅为500cps左右，但是在浅黄色斑点层其含量却突然升高，最高可达3 698cps（图3）。在浅黄色斑点层，另一个特征元素Ti的含量却出现了最小值，在深度剖面上其含量变化也没有明显的旋回性，但与Ca元素呈镜像关系，反映了两种截然不同的物质来源（图3）。

图3 B85－D孔元素地球化学和矿物学指标特征Fig.3 Geochemical and mineralogical proxies in the core B85－D

2.5 矿物学特征

石英是B85－D孔沉积物中的主要矿物，6个样品中石英含量为16.0%～36.5%，平均含量约为24.0%（图3）。白云石含量为0.1%～16.4%，平均含量约为8.5%。在深度剖面上，石英和白云石含量之间的变化关系截然相反，但都与颜色旋回有一定的对应性。通常灰色层中石英含量很高，而在褐色层中白云石的含量相对较高，但是在两处浅黄色斑点层，白云石含量非常高，分别达到了16.4%和15.6%。在柱状样31cm和87cm处还发现了2颗典型的砾石，其成分均为白云石（图3）。

3 讨论

3.1 年龄框架

间冰期，北冰洋广泛存在冰间湖（Polynya），不仅生活着大量的浮游有孔虫，较高的初级生产力也为底栖有孔虫提供了食物；而在冰期，不仅北冰洋中心的冰间湖完全消失，其周边巴伦支海、喀拉海、拉夫帖夫海和东西伯利亚海等区域内的浅水陆架很可能被厚达1km的冰架所覆盖，并不适合有孔虫的生存［15－17］。B85－D孔有孔虫在褐色层中富集，是褐色层代表间冰期气候条件的重要证据。但是，在78cm以深的沉积物中，无论是在褐色层还是灰色层中均未发现有孔虫。POLYAK et al［9］认为，北冰洋较强的溶解作用是致使钙质有孔虫壳体无法保存的主要原因，而且这种变化发生在MIS7之前。因此，B85－D孔78cm以深的沉积物很可能形成于240ka之前，但单纯依靠有孔虫丰度很难建立MIS7之前的年龄框架。

由于不受成岩作用的影响，IRD一直是北冰洋地层对比的重要指标［18］。以末次冰期（MIS2～4期）为例，期间欧亚“喀拉－巴伦支”冰盖和北美劳伦泰冰盖向北冰洋陆架区大面积延伸，北冰洋的面积削减了近50%，冰山和海冰对陆源碎屑的搬运能力增强［9］。当然，这种变化在各个区域并不一致，增厚的海冰也会限制冰山及其搬运的碎屑物质向洋盆中心运移，致使冰期北风洋脊和楚克奇海台等区域IRD含量接近于零［5，7］（图4）。但是，末次冰期波弗特环流和穿极漂流发生了根本性的改组，B85－D孔所在的阿尔法洋脊正是陆源碎屑搬运作用增强的区域［12］（图1）。B85－D孔4～32cm沉积物中IRD持续出现高含量，是MIS2～4期的主要沉积标志（图2）。

B85－D孔最显著的特征是颜色旋回，在北冰洋各海盆内分布广泛，很早就被用来指示“冰期－间冰期”旋回，其有效性得到了生物地层学和绝对年龄定年法的验证［18－20］。研究发现，这种颜色旋回通常是由沉积物中的Mn元素含量决定的，只有当沉积物组分变化特别强烈时，Mn元素含量才会变成次要因素［21］。例如B85－D孔中的浅黄色斑点层，就与碳酸盐岩组分的突然增加有关（图2）。Mn元素对“氧化－还原”条件特别敏感，随着埋藏深度的增加成岩作用增强，理论上富Mn褐色层无法在地层中长久保存［22］。北冰洋之所以具有这种特殊的颜色旋回，在一定程度上是由于该区沉积物中缺乏活性有机质，在有机质降解过程中Mn氧化物（MnOx）的还原作用特别弱，有利于富Mn褐色层的保存［23－25］。虽然关于Mn元素含量变化的控制因素还存在一定的争论，但是北冰洋底层水团的流通性被认为起到了关键的作用，间冰期流通性好，富氧环境中溶解态的Mn元素在“沉积物－水”界面处大量沉淀，随后被埋藏在沉积物中，冰期环境则不利于 Mn元素的沉淀［13，21］。Mn元素含量与沉积物颜色之间的对应性在B85－D孔中得到了进一步验证，而且Mn元素含量变化曲线与LR04氧同位素标准曲线之间具有良好的可比性，可以有效地划分“冰期－间冰期”旋回（图2）。

结合Mn元素含量、沉积物颜色、IRD含量和有孔虫丰度，通过轨道尺度上的相似性对比，可知B85－D孔B1、B2、B3、B4层分别对应于 MIS1、MIS5、MIS7和MIS9期，即该孔上部1.3m沉积物记录了MIS1～MIS10期之间约350ka的环境变化，其中MIS2～4期不易区分，统称为末次冰期（图2）。基于该年龄框架，可知B85－D孔的平均沉积速率约为0.37cm／ka，而整个阿尔法洋脊晚第四纪平均沉积速率约为0.3cm／ka［26］，相近的沉积速率佐证了 B85－D孔年龄框架的合理性。

3.2 阿尔法洋脊碎屑来源变化

决定北冰洋现代海冰运移的是两大风驱漂流：波弗特环流和穿极漂流（Trans－Polar Drift），分别控制着美亚海盆和欧亚海盆（Eurasian Basin）的陆源碎屑沉积［6，12，27］。由于陆源碎屑源区不同，两大海盆中的IRD组分各有特点，其中波弗特环流控制下的美亚海盆中以碳酸盐岩碎屑为特征［6－7］。

B85－D孔位于阿尔法洋脊深入美亚海盆的末端，远离陆地并被深水盆地所阻隔，沉积物中绝大部分碎屑必然主要是由海冰搬运而来，是不同物源混合沉积的结果。在美亚海盆内部存在两类不同来源的陆源物质：一类以石英碎屑为特征，主要来自伊丽沙白女王群岛中的埃斯米尔等岛屿，拉普帖夫海和东西伯利亚海也有部分碎屑进入；另一类则以碳酸盐岩为特征，主要来自班克斯岛、维多利亚岛和加大拿北部的麦肯齐地区［6－7，28］（图1）。通过比较B85－D孔Ca元素含量和有孔虫丰度的变化曲线可以发现，在有孔虫丰度很高的MIS1和MIS7期Ca元素含量很低，而在不含有孔虫的MIS8期Ca元素含量却突然升高，既使在MIS5期Ca元素的最高含量跟有孔虫的最高丰度之间也没有对应关系。结合B85－D孔中白云石的含量变化及其与石英含量之间变化关系，可知阿尔法洋脊沉积物中Ca元素含量的变化趋势并不受生源组分中钙质有孔虫壳体的控制，而是反映了陆源碳酸盐岩碎屑的变化。同时，主要来自细粒重矿物的Ti元素在石英砂岩等碎屑岩中富集，但在碳酸盐岩中含量却很低［29－30］。虽然还无法明确Ti元素的具体源区，但是其变化可以有效地指示阿尔法洋脊非碳酸盐岩组分的来源。

在MIS5期，B85－D孔沉积物中IRD的含量较低，但是IRD中的碳酸盐岩组分却突然升高了。碳酸盐岩组分的突然变化还发生在MIS8和MIS10这两大冰期（图2、图3）。虽然冰期海冰的搬运作用增强，可以造成阿尔法洋脊碳酸盐岩含量增加，但是Ti元素含量在相同时间段内却突然降低，证实MIS8和MIS10期碳酸盐岩含量的增加同样是由物源区的转变引起。特别是在MIS2～4期，IRD含量很高，其中的石英组分也很高，而碳酸盐岩组分却接近于零（图2、图3）。显然，末次冰期阿尔法洋脊碎屑物质的来源发生了根本性的转变，在海冰搬运作用增强的情况下来自班克斯岛、维多利亚岛和麦肯齐地区的陆源碎屑几乎没有在B85－D孔处沉积。依据上述碳酸盐岩组分记录，可知350ka以来B85－D孔陆源碎屑来源的变化并不遵循“冰期－间冰期”旋回，同一种物源在冰期和间冰期都可以占主导。

3.3 波弗特环流演变及其影响

现代观测和海岸带研究发现，在北极涛动（AO）处于正相位时，波弗特环流明显减弱，而穿极漂流则向美亚海盆扩张，正是这种表层漂流的变化决定了海冰对陆源物质的搬运［31］。冰期，在楚克奇海台和北风洋脊，指示班克斯岛陆源物质的铁氧化物颗粒（FeOG）含量几乎为零，甚至连IRD含量也非常低［5，12，32］。PHILLIPS et al［7］认为这是由于北冰洋巨厚的海冰阻碍了波弗特环流，陆架边缘的海冰无法长距离搬运陆源碎屑。海底地形探查甚至认为，在晚更新世冰期有超过1km厚的冰层直接覆盖在楚克奇海台和北风洋脊的沉积物之上，使之出现了沉积间断［17］。但是，在美亚海盆中部的B85－D孔和罗蒙诺索夫洋脊上的GreenICE 10孔中大量的IRD却出现在冰期［4］。据此可知，高浓度海冰的阻碍作用似乎仅仅局限在楚克奇海台一侧的陆架区，在美亚海盆中部和靠近北美海岸线一侧海冰的搬运作用相当强（图4）。然而，MIS2～4期位于罗门诺索夫洋脊上的GreenICE 10孔中碳酸盐岩组分突然增加，而B85－D孔中作为美亚海盆特征沉积物的碳酸盐岩组分却几乎为零（图4）。显然，大量来自班克斯岛、维多利亚岛和麦肯齐地区的陆源碎屑并没有沉积在美亚海盆内，而是直接沿着北美海岸线被海冰搬运进入了欧亚海盆，也意味着在MIS2～4期波弗特环流消亡了。与此同时，B85－D孔沉积物中石英组分突然增加，扩展的穿极漂流逐渐影响了阿尔法洋脊处的冰筏沉积，相似的情况也出现在MIS6期（图3）。

与MIS2～4期不同，MIS5期B85－D孔中碳酸盐岩组分是350ka以来最高的，但是IRD含量指示的海冰搬运作用却并不强（图3）。M03孔较高的IRD和FeOG含量均表明，MIS5期楚克奇海台一侧海冰的搬运应该很畅通，而且有大量来自班克斯岛、维多利亚岛和麦肯齐地区的陆源碎屑在该处沉积［5］。因此，MIS5期波弗特环流的作用范围明显扩张。波弗特环流的扩张必然要压缩穿极漂流的作用范围，使得B85－D孔处受穿极漂流的影响减弱。GreenICE 10孔中碳酸盐岩组分则相应地减少［4］，验证了在波弗特环流增强的条件下更多的碳酸盐岩组分被海冰循环搬运保留在美亚海盆内，而不是被直接倾泻进欧亚海盆（图4）。结合年龄框架，可知碳酸盐岩组分的最高含量并不是出现在全球气候最温暖的MIS5初期，而是出现在MIS5期中间相对较冷的冰段，更明显的是在两大冰期（MIS8和MIS10）也出现了高值。显然，陆源碎屑组分的变化不仅取决于波弗特环流的覆盖范围，同时也取决于海冰的浓度或冰量。一旦楚克奇一侧大面积的海面被海冰所固化，即使存在较强的大气风场，在另一侧狭窄的水域中无法再形成大尺度的环流系统。这也是为什么B85－D孔中IRD最高含量出现在冰消期，即海冰浓度减弱而流通性增强的时候（图2）。只有当海冰的浓度处于既不妨碍波弗特环流的流畅又可保持相对较强的搬运能力时，阿尔法洋脊处的碳酸盐岩组分才会出现高值。正是由于风场和海冰浓度的双重作用控制了波弗特环流的强弱变化，进而导致了海冰运移轨迹和滞留时间并不严格遵守“冰期－间冰期”旋回。

图4 北冰洋陆源碎屑指标对比图Fig.4 Comparison among proxies to the terrigenous debris in the Arctic Ocean

4 结论

Mn元素含量的变化趋势与颜色旋回几乎一一对应，是划分B85－D孔“冰期－间冰期”旋回的主要依据。结合有孔虫丰度和IRD含量，通过Mn元素含量变化曲线与LR04氧同位素标准曲线之间的相似性对比，可知B85－D孔上部1.3m沉积物记录了MIS1～MIS10之间约350ka的环境变化。

350 ka以来B85－D孔陆源碎屑的来源有根本性的转变，但是这种变化并不严格遵循“冰期－间冰期”旋回。MIS2～4期，来自班克斯岛、维多利亚岛和麦肯齐地区以碳酸盐岩为特征的陆源碎屑几乎没有在美亚海盆内沉积，而是沿着北美海岸线直接被海冰运进了欧亚海盆，相似的情况还出现在MIS6期。与此相反，MIS5、MIS8和 MIS10期，大量来自上述地区的陆源碎屑仍然沉积在美亚海盆内。

依据阿尔法洋脊B85－D孔中陆源碎屑的变化特点，可知晚第四纪波弗特环流的流通状态发生了阶段性的变化，在MIS2～4期波弗特环流几乎消亡，而在MIS5期波弗特环流则有所增强。波弗特环流的流通状态明显受海冰浓度的约束，是风场和海冰浓度双重作用的结果，并由此导致了海冰运移轨迹和滞留时间并不严格遵守“冰期－间冰期”旋回。

致谢 衷心感谢给本文提供研究样品的雷吉江和李宏亮等同事以及参加“雪龙号”第三次北极科考的所有科学家和工作人员；衷心感谢章伟艳老师为本文XRD分析提供技术支持；并感谢为研究工作提供资助的国家自然科学基金委（项目批准号：41106048）、国家海洋局第二海洋研究所（项目批准号：JG1001）和中国极地研究中心（项目批准号：CHINARE 2012－0302）！

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